天津自然博物馆面积开阔，共有三层，包括常设陈列区、临展区、体验娱乐区、科普教育区。馆内展品众多，如初入展区就能先看到一幅生命进化长卷，大厅中央一对“母与子”巨型山东龙骨架立刻将你带入自然传奇的情境之中；而在大厅的左侧是国内首家博物馆内的活体蝴蝶园，你不仅观赏到色彩斑斓、漫天飞舞的活体蝴蝶，还可观察从毛虫到美丽蝴蝶的蜕变过程，真正体验“羽化成蝶”。
最不可错过的是三楼展厅，陈列展示了300件珍贵的世界野生动物标本，如珍藏的、被誉为“秦岭四宝”的朱鹮、大熊猫、金丝猴和羚牛等珍贵的中国动物标本。
天津自然博物馆新馆位于天津文化中心，天津自然博物馆前身是北疆博物院，始建于1914年，1957年更名为天津自然博物馆。1997年天津市人民政府投资重建自然博物馆，1998年重新开放。原天津博物馆内，占地面积为5万平方米，总建筑面积为3.5万平方米，展示面积1.4万平方米，包括常设陈列区、临展区、体验娱乐区、科普教育区四部分。馆藏生物标本40万件，其中一、二级珍品1282件，模式标本1452件。新馆陈列以“家园”为主题，是全国第一个主题单元化、全景式展示的自然探索、科学体验、科学教育的自然史博物馆。
天津自然博物馆的前身是北疆博物院，北疆博物院（建院初期称为黄河白河博物馆）是法国耶稣会士、动物学博士桑志华，于1914年来华筹建。桑志华在中国工作了25年（1914-1938），对黄河流域、海河流域广大地区的人文、地理、地质、气象和动植物资源进行探察。行程约5万公里，采集古生物、动物、植物、古人类、岩矿等标本20余万件，其中甘肃庆阳、山西榆社、河北泥河湾、内蒙古萨拉乌苏四个地区动物化石的完整和丰富程度世界罕见。
1922年由法国天主教会募集资金，建设北疆博物院第一座办公楼（北楼）。1925年建设陈列厅与办公楼相接，1928年5月陈列厅建成开放。1929年建造藏品楼（南楼），1930年建成，至此北疆博物院建筑形成一座工字型建筑。北疆博物院在桑志华院长的亲自主持下，至1937年已经成为世界上赫赫有名的博物馆，
1937年抗日战争爆发，东北、华北、华东大部分地区被日军侵占，使桑志华的采掘工作被迫中断。1938年日军侵占天津，桑志华回国，北疆博物院也基本停止了采掘与研究工作。1938年至1949年，北疆博物院处于看守阶段。
1951年2月，北疆博物院由私立津沽大学代管。1951年9月，天津市委宣传部接收北疆博物院。1952年6月，天津市人民政府批准在北疆博物院的基础上组成天津人民科学馆筹备委员会，1952年11月，天津市人民科学馆成立。1957年6月，天津人民科学馆更名为天津市自然博物馆。1959年陈列展览和办公地址迁至河西区马场道272号（原英国跑马场的马厩）。同年，时任政务院副总理、文化教育委员会主任、中国科学院院长郭沫若先生为该馆题写了馆名。1968年8月，天津市历史博物馆、天津市艺术博物馆、天津市自然博物馆合并，组建天津市博物馆。1973年12月，恢复各博物馆建制。1974年1月，更名为天津自然博物馆。1975年在原址改建展室，1978年建成开放。
1997年天津市政府投资在原址翻建天津自然博物馆，1998年重新开放。新馆占地2万平方米，建筑面积1.2万平方米，由陈列馆、藏品库、业务用房、植物园四个功能区组成。主体建筑“海贝含珠”造型，寓意天津自然博物馆是渤海之滨的一颗明珠。
2013年在市委、市政府的大力支持下，天津自然博物馆新馆改建工程被列为“天津市20项民心工程”之一。2014年，天津自然博物馆改建完毕对外开放，新址位于天津文化中心、原天津博物馆内。新馆陈列以“家园”为主题，是全国第一个主题单元化、全景式展示的自然探索、科学体验、科学教育的自然史博物馆。